IOTSysMag

Allgemeine Informationen

Projektnummer	61805201
Projekttitel laut Förderbescheid	Entwicklung eines geeigneten Niederdruckprozesses zur Passivierung und Beschichtung von Magnesiumdruckgussbauteilen im Labormaßstab
Akronym	IOTSysMag
Projektlaufzeit	01.09.2013 - 30.09.2015
Forschungsschwerpunkt	Werkstoffe - Struktur - Oberflächen
Zuordnung
Grundeinheit	Zittauer Institut für Verfahrensentwicklung, Kreislaufwirtschaft, Oberflächentechnik, Naturstofffors

Inhaltliche Projektbeschreibung

1. Relevanz und Einordnung

Im Rahmen des beantragten Projektes soll eine Technologie zur Beschichtung von Bauteilen aus der Magnesiumlegierung AZ91hp mit dem Ziel der Erzeugung einer Verchromung bzw. Chromoptik vordergründig zu dekorativen Zwecken entwickelt werden.

Dazu haben sich im Projekt eine Forschungseinrichtung, das zur Hochschule Zittau/Görlitz gehörende Institut für Oberflächentechnik (nachfolgend IOT genannt), ein Hersteller von Magnesiumdruckgusserzeugnissen, MAGNETECH GmbH, Neukirch, (nachfolgend MAGNETECH genannt)  und ein auf PVD-Technolgie spezielisierter Lohnbeschichter, TECHNO-COAT Oberflächentechnik GmbH, Zittau (nachfolgend TECHNOCOAT genannt) zusammen  geschlossen.

Die Oberflächen technischer Produkte aus verschiedenen Materialien werden aus Gründen der Ästhetik, der Haptik und des Korrosionsschutzes in der Regel beschichtet. Insbesondere bei Sichtflächen von Gebrauchsgütern werden diese Beschichtungen bei gleichartigen Teilegattungen in den verschiedensten Varianten bezüglich Farbe und Güte verlangt. So etwa funktionelle Bauteile von Elektroartikeln, Griffelemente für Haushaltartikel, Sanitär- und Medizintechnik. Dabei kommen die unterschiedlichsten Materialien und Beschichtungstechnologien, wie Lackieren, Galvanisieren und PVD  zum Einsatz.

In allen Gebieten, hauptsächlich im Fahrzeugbau, setzt sich das Streben nach Leichtbaulösungen immer weiter durch. Solche Industriezweige, wie die Luft- und Raumfahrt sind geradezu eine Domäne des Leichtbaus. Zunehmend rückt dabei die Verwendung des Zukunftswerkstoffes Magnesium ins Blickfeld der Entwickler und Hersteller.

Neben dem klassischen Material Aluminium tritt die Anwendung von Magnesium und deren Legierungen immer mehr in den Vordergrund. Dabei soll der Gewichtsvorteil von Magnesiumlegierungen mit den Vorteilen der konkurrierenden Werkstoffe wie Zink- und Aluminiumdruckguss aber auch Kunststoffen verbunden werden.

Mit einer Dichte von 1,74 g/cm³ ist Magnesium um etwa ein Drittel leichter als Aluminium (ρ = 2,7 g/cm³) und wiegt ca. ein Viertel im Vergleich zu Stahl (ρ = 7,8 g/cm³). Zudem sind Magnesiumlegierungen gut ver- und bearbeitbar. Die Gießeigenschaften sind gut. Im Vergleich zu Aluminiumgusslegierungen sind Magnesiumlegierungen schneller giessbar, was zu höheren Schusszahlen innerhalb der Fertigung führt. Die Zerspanungseigenschaften sind durch geringe Schnittkräfte, kurze Späne, hohe Schnittgeschwindigkeiten, geringer Werkzeugverschleiß und hohe Oberflächengüte ausgezeichnet. Der industrielle Einsatz von Magnesiumlegierungen wird jedoch durch nachteilhafte Eigenschaften entscheidend eingeschränkt. Magnesium ist mit seinem elektrochemischen Normalpotenzial (E⁰ = -2,37 V) ein besonders unedles Metall, was zu einer sehr hohen Korrosionsneigung führt und häufig hochreine und damit preisintensive, sog. High-purity-Legierungen erfordert.

Diese spezifische Eigenschaft des festen, gut zu verarbeitenden und preiswerten Leichtbauwerkstoffes Magnesium setzen heute noch Grenzen, wenn es um Fragen der Beschichtung geht.

Die primäre Ursache liegt an der schnellen Ausbildung der Oxid- oder Hydroxidschicht, die es zwar vor weiteren oxidativen Angriffen weitestgehend schützt, jedoch bei nachfolgenden galvanischen Beschichtungen und PVD-Beschichtungen zu einer verminderten Schichthaftung führt.

Der große Vorteil des Magnesiums – seine geringe Dichte – rechtfertigt aber große Bemühungen zur Verbesserung der nachteilhaften Eigenschaften. Neben dem Legieren (mit Aluminium, Zink, Mangan, Silizium und Seltenen Erden) stellt die Oberflächenbehandlung und –beschichtung die wichtigste Möglichkeit dazu dar, da sich mit diesen Verfahren neben den funktionellen auch die dekorativen Eigenschaften verbessern lassen. [1, 2].

In diesem Sinne ist die Schaffung eines Beschichtungssystems und einem die Haftung verbessernden Pretreatment ein überaus wichtiger Schritt in die weitere Marktpräsenz des Werkstoffes Magnesium. Denn leider wird bei neuen Projekten ausschließlich wegen der Problematik der Haftfestigkeit nicht auf Magnesium zurückgegriffen, obwohl das Material  das Beste Volumen/ Gewichts-Verhältnis hat!

Hinsichtlich des Pretreatments soll das Einbringen von Korrosionsinhibitoren, welche die Haftfestigkeit der nachfolgenden Beschichtungen wesentlich verbessern, realisiert werden.

Es ist bekannt, dass Magnesium bei Kontakt mit Fluorwasserstoffsäure (HF) eine Magnesiumfluorid-Schutzschicht (MgF₂) auf der Oberfläche ausbildet. Fluorwasserstoffsäure, auch Flusssäure genannt, ist die wässrige Lösung von Fluorwasserstoff (HF). Sie ist eine farblose, stechend riechende Flüssigkeit und wirkt stark ätzend auf die Haut, die Schleimhäute und die Bindehaut der Augen, was das Handling erschwert.

Der innovative Grundgedanke liegt im beantragten Vorhaben darin, eine Oberflächenpassivierung mittels Ionenimplantation von Fluor und anschließender PVD-Beschichtung unter Nutzung hochmoderner Verfahren zu kombinieren.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind drei Niederdruckverfahren, Ziel und Zweck zusammengestellt, die zum Einsatz kommen werden und bereits bei den Projektpartnern installiert sind.

Verfahren	Ziel/ Zweck
Plasma-Immersions-Ionenimplantation	Oberflächenvorbehandlung durch den Einbau von Fluoratomen zur Passivierung
Arc-PVD	effiziente Abscheidung von Hartstoffschichten (Verschleißschutz) mit der PIII im selben Rezipienten durchführbar
HIPIMS-PVD	hochdichte Schichten möglich (Verschleiß- und Korrosionsschutz)

Tabelle 1: Verfahren, Ziel und Zweck

Die erzeugten Schichtsysteme sollen durch ihr metallisches Aussehen und ihre Haptik den Bauteilen ein hochwertiges Erscheinungsbild verleihen, was bei Magnesiumteilen aufgrund des geringen Gewichtes ein entscheidendes Kriterium darstellt. Weitere Anforderungen, v. a. mechanische und chemische Beständigkeit müssen ebenfalls erfüllt werden.

Die in der Realisierungsphase des Vorhabens am IOT entwickelten Beschichtungssysteme sollen durch die Projektpartner auf eine serientaugliche Anwendung ausgerichtet werden. Für die Untersuchungen wird ein einerseits wirtschaftlich-technisch relevantes und andererseits gut bewertbares Demonstratorbauteil eingesetzt. Es handelt sich um einen Einbauring mit einer zu produzierenden Stückzahl von ca. 20.000/a.

Die Herstellung und die erste mechanische Vorbehandlung der Bauteile wird durch den Projektpartner MAGNETECH GmbH durchgeführt. Um ein hohes Maß an Produktivität infolge der geforderten Serientauglichkeit für nachfolgende Schritte zu ermöglichen, ist ein zwingend notwendiges Transport- und Chargiersystem zu entwickeln, welches auch durch den Projektpartner TECHNO-COAT Oberflächentechnik GmbH in verschiedenen Vorbehandlungsschritten und einer speziell zur Beschichtung entwickelnden PVD-Anlage genutzt werden soll. Dabei ist die enge Zusammenarbeit zwischen den mitwirkenden KMU und dem IOT die Grundlage, um ein Höchstmaß an Leistungsfähigkeit zu ermöglichen und somit die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes der Technologie zu realisieren.

2.  Angestrebte technische Funktionalitäten und relevante Parameter

Hauptfunktionalität der zu entwickelnden Schichten ist das chrom-metallische Aussehen der Produkte. Darüber hinaus muss eine hohe Härte und Kratzfestigkeit der Schicht, sowie ein ausreichender Korrosionsschutz vorliegen.

Es  werden innovative Niederdruckplasmatechnologien eingesetzt:         

1. P III zur Implantation von Fluor-Atomen (Oberflächenmodifikation)
2. PVD (Arc-, Sputter-, HIPIMS-Verfahren) zur Erzielung der o.g. Eigenschaften.

Die angestrebten Oberflächen- bzw. Bauteileigenschaften sind nur erreichbar, wenn die Teilschritte des komplexen Fertigungsprozesses, bestehend aus:

            Urformen: Gießen,
            Trennen: Schleifen,
            Modifizieren: Reinigen, Aktivieren, Plasmaimplantation sowie Beschichten
           

systematisch spezifiziert und aufeinander abgestimmt werden.

Bei den aufgeführten Schritten steht für den Projektpartner MAGNETECH die mechanische Behandlung (Gleitschleifen) nach dem Druckgussprozess, die beschichtungsgerechte Lagerung sowie deren Transport in einem multifunktionellen Chargiersystem im Mittelpunkt. Hierfür ist die Zusammenarbeit mit dem Partner TECHNOCOAT unabdingbar, da im Rahmen des Projektes eine Beschichtungsanlage aufgebaut werden soll, welche die erfolgreich abgestimmten Technologien im industriellen Maßstab ermöglichen soll.

Die Integration des 3D-Demonstratorbauteil - Einbauring RDL De = 210 ermöglicht die genau abschätzbare Auslastung und Produktivitätsbestimmung der Beschichtungsanlage, welche sich durch die genaue Stückzahlvorgabe ermitteln lässt. Hierfür muss das zu entwickelnde Chargiersystem von MAGNETECH die Kompatibilität zu den aufgeführten Prozessschritten inklusive des Vakuumsystems aufweisen, um die Serienanwendung im Batchbetrieb des Lohnbeschichters zu ermöglichen. Dabei sind vor allem die Vakuumprozesse von großer Bedeutung, da ein großes Maß an Vakuum-Hygiene betrieben werden muss. So werden beispielsweise besondere Materialien eingesetzt, die Verunreinigungen der Beschichtungssysteme und der Substratmaterialien verhindern. Weiterhin ist eine hohe Auslastung jeder Batch unabdingbar, um die Produktivität zu erhöhen.

TECHNOCOAT realisiert ein Vakuumsystem, das in Form und Größe an die Technologien und die Produktivitätsauslastung angepasst wird. Die enge Zusammenarbeit ist hier die Grundlage zur Entwicklung von Anlage und Chargiersystem.

Vom Projektpartner IOT werden die bereits verfügbaren Niederdrucktechnologien der
PIII, HIPIMS und der Arc-PVD in Kombination auf Mg-Druckgussbauteilen untersucht, sodass das Ziel einer dichten, harten und haftfesten Schicht mit Chrom als Decklage erreicht wird. Diese speziellen Prozesse werden am IOT in Laboranlagen untersucht, möglichst optimiert. Die Ergebnisse sind die Basis für die Beschichtungsrezeptur für das Unternehmen TECHNO-COAT. Um ein erfolgreiches Übertragen dieser zu gewährleisten, wird im Rahmen der Projektarbeit auch hier sehr eng zusammengearbeitet.

Für eine erfolgreichen Entwicklung, werden die erreichten Ergebnisse mit einer Reihe vielfältiger Verfahren analysiert. Unter anderem EDX-Analyse zur Kontrolle der Zusammensetzung, unter Umständen quantitative GDOS Tiefenprofilanalyse, Calo-Test zur Ermittlung der Schichtdicke, Licht- und Elektronenmikroskopie zur Beurteilung der Oberfläche, Tribometrie zur Ermittlung der Gleiteigenschaften, Mikrohärteprüfung, Scratchtest, Rockwelltest zur Bestimmung der Haftfestigkeit, Salzsprühnebeltest und diverse Klimatests (Wechselklima, Konstantklima), um Aussagen zur Beständigkeit der Oberflächenbehandlung zu treffen.

Ergebnisse

Im noch laufenden Projekt zeichnen sich mehrere Lösungswege ab, die sich industriell umsetzen lassen. Es konnten bereits frühzeitig neue Entwicklungsansätze erarbeitet werden.

Weitere Daten

• Ansprechpartner

  • Frau Dr. Jana Reinhold (Projektleitung)
  • Herr Matthias Herrmann
  • Herr Dietmar Kitta

• Fördermittelgeber

  • KF2008906CK3 - BMWi/AiF
  
  
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• Finanzierung

  • 168.424,00 €